Điều gì làm cho một chiếc xe đạp đứng thẳng khi di chuyển?

Điều gì làm cho một chiếc xe đạp đứng thẳng khi nó đang chuyển động? Mối quan hệ giữa tốc độ và sự ổn định là gì? Có phải là một mối quan hệ tuyến tính?

Tôi có thể hỏi điều này trên trang web vật lý tuy nhiên tôi hy vọng câu trả lời tương đối đơn giản. Tôi đã tham gia một lớp học giới thiệu về vật lý ở trường đại học để vật lý cơ bản được đánh giá cao nhưng không có gì quá hầm hố.

Tôi nghĩ rằng đó không phải là khối quay của bánh xe đang giữ cho chiếc xe đạp thẳng đứng. Tôi đã đọc một nghiên cứu gần đây nói rằng nếu bạn có một bánh xe với khối lượng giống hệt nhau quay ngược lại bên cạnh chiếc xe đạp thì xe đạp sẽ không mất ổn định. (Tôi không chắc chắn nơi tôi đọc nghiên cứu).

Tại sao xe đạp đứng thẳng khi trên một con lăn?

Câu hỏi này gần đây là chủ đề của một bài viết dài trên tạp chí New Scienceist. Để tóm tắt:

"Tại sao chiếc xe đạp này chỉ đạo số lượng thích hợp vào thời điểm thích hợp để đảm bảo sự ổn định cho bản thân?" tờ giấy hỏi. "Chúng tôi đã tìm thấy không có lời giải thích vật lý đơn giản."

http://www.newscientist.com/article/mg21028141.700-bike-to-the-drawing-board.html

Bài báo này cũng trích dẫn nghiên cứu mà bạn không thể thực hiện được - lực lượng con quay, từ lâu được cho là tất cả và chấm dứt tất cả sự ổn định của xe đạp - đã được khoa học chứng minh là không phải là hậu quả phổ biến tưởng tượng.

Tuy nhiên, đối với việc đứng thẳng trên một con lăn, điều đó không được đề cập trong bài viết, tuy nhiên, nó thảo luận về những gì xảy ra khi bạn gửi một chiếc xe đạp xuống đường mà không có ai trên đó - dường như trọng lượng và điều chỉnh tay lái của người lái không có gì để làm với nó

Tôi không nghĩ rằng bài báo của Nhà khoa học mới là từ cuối cùng về chủ đề này. Tuy nhiên nó là gần đây (một vài tuần tuổi) và là một giới thiệu tốt về bí ẩn. Thưởng thức!

Hình học xe đạp cung cấp một số mức độ tự ổn định. Góc và cào của phuộc tạo ra tình huống lốp trước sẽ có xu hướng biến thành nạc, và do đó điều chỉnh xu hướng rơi sang một bên.

Bản thân hiệu ứng con quay của bánh xe dường như không mạnh, nhưng hiệu ứng con quay trên hệ thống lái hoạt động với góc / cào của phuộc để xoay lốp theo hướng "rơi" và thậm chí còn tự ổn định hơn.

Về lý thuyết, các con lăn không khác gì so với đường phố - lốp trước sẽ quay theo hướng nghiêng, cho đến khi mép của con lăn tạo ra một vụ tai nạn hoặc xe đạp ổn định.

Xe đạp vốn đã ổn định vì hình học của chúng. Hình học làm cho chiếc xe đạp luôn luôn chuyển sang hướng nó bắt đầu nghiêng, giữ cho nó đứng thẳng. Lý do được minh họa tốt nhất thông qua một khái niệm được gọi là phản lái.

Tay lái là cách tất cả các xe hai bánh rẽ. Khi bạn muốn quay về bên trái, bạn xoay tay lái một chút sang bên phải. Ma sát của các bánh xe kéo phần dưới của xe đạp về phía bên phải, bắt đầu nghiêng về bên trái. Các thanh tay cầm sau đó bắt đầu xoay về bên trái để theo dõi qua ngã rẽ.

Khi đến lúc dừng rẽ, bạn xoay tay lái thêm một chút sang trái. Điều đó kéo phần dưới của chiếc xe đạp về phía bên trái, điều này đưa phần dưới của chiếc xe đạp ngay dưới trọng tâm và do đó dừng lại.

Trên nhiều xe đạp và ở tốc độ thấp, hiệu ứng lái có thể không được chú ý bởi nhiều người lái. Tuy nhiên, ở tốc độ cao, hoặc với các phương tiện nặng hơn như chu kỳ động cơ thì điều đó có ý nghĩa hơn.

Vì vậy, làm thế nào để làm việc này khi không có người lái? Đó là do cái cào trong ngã ba và đường ray mà nó gây ra. Nếu bạn theo dõi một đường tưởng tượng thông qua trục của ngã ba của bạn xuống mặt đất, nó sẽ chạm đất trước nơi bánh xe tiếp xúc với mặt đất.

Vì bánh xe tiếp xúc với mặt đất phía sau trục lái, bánh xe sẽ luôn cảm thấy một lực từ đường cố gắng đưa nó về trung tâm, chỉ thẳng về phía trước. Khi xe đạp bị nghiêng sang một bên, các lực bắt đầu đẩy bánh xe sang một bên mà xe đạp bị lật.

Vì vậy, tất cả các lực lượng cộng lại. Cái cào trong ngã ba làm cho chiếc xe đạp muốn đi thẳng về phía trước. Và khi cảm thấy va chạm theo hướng này hay hướng khác, tay lái phản công sẽ có xu hướng đưa xe đạp sang hướng khác. Sau đó, cào ngã ba sẽ bắt đầu đẩy bánh trước ra xa hơn, sau đó sẽ thẳng xe đạp ra ngoài, vì tay lái phản công.

Nó giống như giữ thăng bằng một cây chổi trên tay bạn, bạn lái để di chuyển các bánh xe dưới bạn. Các nhà sản xuất xe đạp giúp đỡ bằng cách thiết kế hình học lái để chiếc xe tự đứng thẳng, nếu bạn không làm phiền nó.

Các lực lượng con quay giúp nhưng không cần thiết.

Đã có một số nghiên cứu gần đây hơn về điều này: http://www.science20.com/news_articles/why_does_moving_bilot_stay-78139

Trước đây người ta đã nghĩ rằng các bánh xe quay của xe đạp mang lại sự ổn định thông qua các hiệu ứng con quay; và rằng 'đường mòn' (khoảng cách mà điểm tiếp xúc của bánh trước kéo theo trục lái, đóng một phần quan trọng).

Tuy nhiên:

Một nghiên cứu mới về Khoa học tuyên bố đã giải quyết được vấn đề - hiệu ứng con quay và trợ giúp về đường mòn, nhà nghiên cứu Tiến sĩ Arend Schwab thuộc khoa 3mE tại TU Delft cho biết, nhưng không cần thiết trên một tốc độ nhất định. Trong một bài báo Kỷ yếu năm 2007 của Hiệp hội Hoàng gia (doi: 10.1098 / rspa.2007.1857), một mô hình toán học với khoảng 25 thông số vật lý đã được phát triển tại thời điểm xuất hiện để dự đoán xem, và ở tốc độ nào, một thiết kế cụ thể của xe đạp sẽ là gì ổn định.

Các tác giả đã thiết kế và chế tạo một chiếc xe đạp Two Mass Skate, với bánh xe nhỏ và quay ngược, có nghĩa là không có hiệu ứng con quay để nói và một vệt âm nhỏ (nói cách khác, trong đó điểm tiếp xúc của bánh trước là lề trước trục lái). Tuy nhiên, xe đạp vẫn ổn định khi di chuyển.

Đoạn video dài 7 phút này đưa ra lời giải thích về sự ổn định của xe đạp, thảo luận về các hiệu ứng con quay, bánh xe và tay lái. Cụ thể, nó cho thấy các ví dụ về xe đạp (không người lái) có thể cân bằng ngay cả khi một hoặc nhiều nguồn ổn định bị hủy bỏ. Do đó, có một số tính năng thiết kế cho phép sự ổn định - bao gồm cả người lái.

Hiện tại , có ba yếu tố chính được cho là ảnh hưởng đến sự ổn định của xe đạp:

1. Số lượng đường mòn bánh trước (nghĩa là thiết kế bánh xe)
2. Phân phối lớn trước trục lái trước
3. Suy đoán con quay

Trong một chiếc xe đạp hiện đại, cả ba làm việc cùng nhau để cho phép một chiếc xe đạp tự động lái vào một cú ngã, do đó thể hiện hành vi tự đâm mình. Hành vi lái tự động này sẽ cho phép một chiếc xe đạp ổn định trên các con lăn hoặc di chuyển trên mặt đất.

Bởi vì sự ổn định đạt được thông qua sự cân bằng của nhiều yếu tố, quá nhiều yếu tố bất kỳ có thể làm cho một thiết kế không ổn định (ví dụ, bằng cách sửa quá mức). Hơn nữa, không phải tất cả các yếu tố đều có tác động như nhau. Một số yếu tố trong sự cô lập có thể đủ để làm cho một chiếc xe đạp ổn định trong trường hợp không có các yếu tố khác (ví dụ: phân phối khối lượng ở phía trước trục lái ).

Sự tồn tại của nhiều yếu tố cũng có nghĩa là các thiết kế ổn định khác nhau có thể sử dụng số lượng khác nhau của từng yếu tố. Ví dụ, trong những chiếc xe đạp randonneur của những năm 1940 đã sử dụng ít đường mòn hơn , nhưng đã thêm khối lượng ở phía trước trục lái (tức là túi trước mang theo bánh răng) để tạo ra một chiếc xe đạp ổn định.

MinutePhysics có một đoạn video ngắn tốt phá vỡ tác động của những hiệu ứng này. Tôi tin rằng trong hầu hết các thiết kế ổn định rước con quay (3) sẽ có tác dụng yếu nhất.

Được hỗ trợ bởi các đặc điểm của sự ổn định bản thân, như đã lưu ý ở trên, lý do cơ bản của một chiếc xe đạp đứng thẳng trong khi bạn đi xe là bạn đang chủ động giữ thăng bằng bằng cách giữ các điểm tiếp xúc của xe đạp dưới trọng tâm của bạn. Khi bạn đang đi, bạn đang thực hiện những chuyển động tinh tế để giữ chiếc xe đạp bên dưới bạn - khi chiếc xe đạp rơi sang bên trái, bạn rẽ trái, di chuyển bánh trước và đặt chiếc xe đạp phía dưới bạn. Trên các con lăn, bạn có thể thấy điều này khi chiếc xe đạp di chuyển qua lại trên con lăn - và khi nó không thể làm điều đó, bạn sẽ ngã.

Bạn có thể làm điều này một cách vô thức sau khi học lái xe, đó là một thử thách khá lớn khi lái xe đạp với tay lái đảo ngược.

Câu trả lời cơ bản mà không nhận được quá nhiều vào vật lý là động lượng góc . Về cơ bản, một vật thể quay (bánh xe của bạn) tác dụng một lực theo hướng ngược lại nếu bạn cố gắng "mách" chúng. Để thử điều này ở nhà, hãy tháo bánh trước của bạn. Giữ chặt trục xe bằng cả hai tay và quay bánh xe. Bây giờ hãy thử để bánh xe. Chú ý cách bánh xe kéo lại. Hãy thử tương tự với bánh xe không quay và chú ý làm thế nào nó không kéo lại. Bánh xe quay càng nhanh, càng khó kéo lại. Tôi không chắc mối quan hệ này có tuyến tính hay không. Hãy xem ở đây để có cái nhìn cơ bản hơn về động lượng góc . Nó cho thấy một video thực hiện một cuộc biểu tình bằng cách sử dụng lốp xe đạp.

Nó nên đơn giản như thế này:

• hành động = phản ứng. Nếu xe đạp thẳng đứng, nó sẽ đứng thẳng trừ khi có lực đẩy sang một bên. Điều này đúng ngay cả khi xe đạp không di chuyển.
• nếu có một lực nào đó phá vỡ sự cân bằng, thì cần phải có một lực tương đương để duy trì sự cân bằng.
• khi xe đạp đang di chuyển, việc điều khiển sẽ chuyển một số động lượng về phía trước thành lực ngang, do đó việc điều khiển có thể được sử dụng để cân bằng xe đạp.
• trên một con lăn, xe đạp có thể di chuyển ngang để cân bằng.
• di chuyển trọng lượng của người lái không nên tạo ra lực ngang vì để di chuyển sang một bên, người lái cần đẩy xe đạp sang hướng khác với cùng một lực. Bất kỳ thành công với điều này có thể được quy cho sự thiếu hiệu quả trong hệ thống.

Sau đó, có hiệu ứng con quay của các bánh xe có thể thay đổi số lượng và hướng để lực tác động lên hệ thống.